《课程论文：探讨科技创新实验中涉及材料表面与界面问题》由会员分享，可在线阅读，更多相关《课程论文：探讨科技创新实验中涉及材料表面与界面问题（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1材料改性课程论文主 题：探讨科技创新实验中涉及的材料表面与界面问题 姓 名：陈小飞 班 级：无机 1102 导 师：刘鹏 2014 年 6 月 8 日2目录引言-2材料表面与界面研究意义-3液体的表面张力-4液体表面张力的影响因素-6弯曲液面内外压力差与曲率半径关系-7润湿作用与接触角-8浮选与接触角-9表面活性剂分子结构及其分类-9表面活性剂在液体表面的吸附-10表面活性剂对纳米颗粒的分散机理-11乳状液类型及影响因素-12乳状液的稳定性-13乳化剂的选择与应用-13参考文献-143引言通过对材料表面与界面的学习，了解到在有关材料的实验中很多现象都可用表面与界面学里的知识解释。比如原料粗细
2、形状、不同的反应溶剂、活性剂的选择与实验结果的关系。不同材料的亲水性与憎水性也是很奇特的现象，以及不同的分相体系对反应速率的作用等等。本文主要介绍材料表面与界面相关知识，通过实验中遇到的现象分析其中的作用机理。材料表面与界面研究的意义材料的表面与其内部本体，无论在结构上还是在化学组成上都有明显的差别，这是因为材料内部原子受到周围原子的相互作用是相同的，而处在材料表面的原子所受到的力场却是不平衡的，因此产生了表面能。对于有不同组分构成的材料，组分与组分之间可形成界面，某一组分也可能富集在材料的表界面上。即使是单组分的材料，由于内部存在的缺陷，如位错等，或者晶态的不同形成晶界，也可能在内部产生界面
3、。材料的表界面对材料整体性能具有决定性的影响，材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷，涂膜、粘结、复合等等，无不与材料的表界面密切有关。因此研究材料的表界面现象具有重要的意义。4一、液体的表面张力1.奇特的现象在石蜡表面上的小水滴会自动呈现出球形;在水面上可以让金属钱币漂浮;插入水中的毛笔的毛是分散开的,当把笔从水中提出时发现毛并拢成一体状.说明:(1)液体表面与体相液体的性质不完全相同;(2)液体表面似乎存在一个弹性膜;(3)液体表面有自动缩小的本能.力学角度分析（1）液体内部分子的移动无需做功.处于液体体相内的任一分子受到其周围四面八方分子的作用力是相等的,可以互相抵消.（2）自然形成的液滴总
4、是倾向于形成表面积最小的球形或类球形.处于液体表面的分子受到液体内部分子的作用力远大于另一侧气体分子的作用力,因此,液体表面的分子有自动向液体内部迁移的趋势,这样液体表面的水减少,液体表面自动缩小。（3）表面张力与温度、压力及液体组成相关把液体表面看作厚度为零的均匀伸缩的弹性膜，表面张力是作用于液体表面上任何部分单位长度直线上的收缩力，力的方向是与该直线垂直并于液面相切。表面张力是温度、压力、和液体组成的函数。即，温度、压力、组成恒定时，液体表面张力也是恒定值。5能量角度分析当液体表面增大时，是体相中分子迁移至表面，这时就需要对体系做功。已知在恒温、恒压条件下扩大液体表面，外界对体系做的功等于
5、体系自由能的增量G ，若体系液面面积改变A ，则扩大单位面积，体系自由能增量为比表面自由能（简称表面自由能，也含糊地叫做表面能）：即 =G/A （mJ.m2）表面自由能是单位液面上物质比其在液体体相内自由能的增量，因此它是过剩量。对于纯液体，在只做膨胀功和表面功的可逆过程中，热力学关系式为：dU= TdS-pdV+ dAdH= TdS+Vdp+ dAdF= -SdT-pdV+ dAdG= -SdT+Vdp+ dA 式中：U 体系的内能；H 体系的焓；F Helmholtz 自由能；G Gibbs 自由能；p 压力；V 体积；T 热力学温度；S 熵； 表面张力；A 体系表面积。因此， 是在不同的
6、指定条件下，扩大单位面积、体系内能、焓、 Helmholtz 自由能、pTAGVFpSAHVSU, 6Gibbs 自由能的增量。(U/ A)S,p 是液体的总表面能增量，或简称表面能。而( G/A)T,p 是液体表面张力或表面（过剩）自由能。总的表面能包括扩大单位面积时体系以功的形式得到的能量（表面自由能）和以热的形式得到的能量T(/T) A. p.对于纯液体， (/T)A. p0.即，总表面能总是大于表面自由能。液体表面张力的影响因素1. 物质的本质液体表面张力是指将液体分子从体相中拉到表面上所做功的大小，因此它与液体分子之间的相互作用力的性质与大小有关。相互作用强烈，不易脱离体相，表面张力
7、就大。如水分子间有氢键作用，并可形成结构，因此水是常见液体中表面张力最大的。一般情况下：（1）液态金属的表面张力大是由于金属键的强度大，使其相对移动困难，在室温液态物质中以汞的表面张力最高；（2）有机液体的表面张力一般都小于 50mN.m-1，其中非极性液体（如烷烃）分子间仅有 vander Waals 力作用，表面张力比含极性基团的有机液体（如醇、酸）等的要低。（3）在同系有机物中分子量大的表面张力较高。2.温度的影响由于温度升高使分子热运动加剧，分子间作用力减弱，表面张力多随着温度升高而减小。即，纯液体的表面张力系数均为负值。同时升高温度使液体的饱和蒸汽压增大，气相中分子密度增加，也使气相
8、分子对液体表面分7子的作用力增大，导致液体表面张力减小。当温度达到临界温度 Tc 时，液相和气相界线消失，表面张力为零。3. 压力的影响压力对液体表面张力的影响很小，即使实际观测到压力对表面张力有某些影响也极可能由于气体的吸附与溶解而引起的。弯曲液面内外压力差与曲率半径关系Laplace 公式1. Laplace 公式弯曲液面与平液面不同,弯曲液面表面张力在法线方向的合力不等于零.凸液面:表面张力合力方向指向液体内部；凹液面：合力方向指向液体上方。为了保持弯曲液面的存在与平衡，弯曲液面内外两侧有压力差：弯曲液面突向一侧的压力总是小于另一侧的。或者说：液面两侧有压力差时，能够形成弯曲液面，液面突
9、向的一侧压力小，两侧压力差与液体表面张力和弯曲液面的曲率半径有关。根据水中的气泡受到的内外压力差与体系自由能变化情况，得到球形界面的 Laplace 公式：对于主曲率半径为 R1 和 R2 的任一曲面，可以得到 Laplace 公式的普遍形式：rp/2211RRp8（1）当p 指弯曲液面的内外压力差： p=p 内 -p 外， p 内 通常指曲率半径为正值一侧压力，如气泡内的压力；曲率半径的正负号要取正确。（2）对于弯曲液面，若将液相作为内侧，液面的曲率半径可能是正的，也可能是负的。如水中的气泡，气液界面曲率半径为-r，液面称为凹液面；若考虑空气中的小液滴，以液相为内侧，曲率半径为 r，这种液面
10、称为凸液面。（3）形成凸液面时, p0,液相内压力大于另一侧气相的压力；形成凹液面时， p0,则-G A 0浮选与接触角测定接触角后可以用来计算固体的表面能，润湿热，吸附量等有用的数据。在工业上接触角的研究的最大应用在泡沫浮选：在矿浆中加入起泡剂等后通入空气形成泡沫，由于水对矿石粉不同组成的润湿性质不同，有用矿粉体附着在泡沫上并上浮分离，无用的矿粉体则沉入水底。每年全世界用浮选法分离的矿石达到 10 亿吨以上。最佳颗粒范围：7-74 微米表面活性剂分子结构及其分类表面活性剂（surface active agent，surfactant）：在很低的浓度就可以显著降低溶剂（主要是水）的表面张力，
11、且具有实用价值的天然或合成的两亲有机物质成为表面活性剂。1.表面活性剂分子结构特点及其分类表面活性剂分子具有两亲性，既具有亲油的疏水基团（hydrophobic 10group） ，也有疏油的亲水基团（hydrophilic group） ，这类分子叫两亲分子（amphiphilic molecules，amphiphiles） 。表面活性剂在水或油中的溶解度受这两类基团相对强弱的影响。如 18 碳以上表面活性剂在水中的溶解度很小。常用的亲水基团：羰基、磺酸基、硫酸酯基、聚氧乙烯基、季铵基、吡啶基、多元醇基等。常用的疏水基团：碳氢烷烃链、碳氟烷烃链、聚硅氧烷链、聚氧丙烯基、烷基苯基等。表面活性
12、剂分类：一般根据其在水中是否电离和电离时形成的具有表面活性的离子带电符号分类：非离子型：脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、烷基葡萄糖苷、失水山梨醇脂肪酸酯、聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯等。 （TWEEN 20,40,60,80, PEO-PPO-PEO）阴离子型：烷基硫酸钠、烷基苯磺酸钠、烷基聚氧乙烯醚磺酸钠、烷基羧酸钠、琥珀酸二异辛酯磺酸钠等。 （SDS）阳离子型：烷基三甲基溴化铵、烷基三甲基氯化铵、二烷基二甲基溴化铵等。 （CTAB, CTAC）两性型：烷基甜菜碱、磺基甜菜碱、羰基咪唑啉、氨基羧酸等。 （如，羟基磺丙基甜菜碱）表面活性剂在液体表面的吸附1.表面过剩无论纯液体或多组分溶液，表
13、面上的分子受到构成界面的两相分子作用力11的不平衡，总会有表面张力的存在，即表面自由能，同时也导致表面区域物质的密度与体相中的不相同， 这种现象叫做吸附。表面活性剂在水中,根据相似相容原则,表面活性剂分子中的极性分子倾向于留在水中,而疏水部分则倾向于伸出水面,或朝向非极性的有机溶剂中.因此表面活性剂分子自发地从溶液内部迁移至表面或界面,并在此富集,整齐地排列取向.这个富集的过程称为吸附.表面活性剂的吸附作用可以分成两类:(1) 在溶液界面的吸附,与起泡-消泡、乳化-去乳化、铺展、增溶、表面膜等界面现象相关；（2）固-液界面的吸附，与润湿、分散、固体表面改性等有关。表面活性剂对纳米颗粒的分散机理1. 电离质点本身有可电离的基团，如，在酸性条件下，氨基会因接受 H+而形成NH2 使蛋白质分子带正电，而在水中电离使蛋白质带负电。类似的，淀粉、藻酸等质点上的电荷大多是表面基团电离而带电。2. 吸附带电离子石蜡、油珠、纤维等虽然自身在水中不能电离而带电，但却可以从水中吸附 H+和 OH-等离子而带电。阳离子因其离子半径小而水化能力强，不容易被吸附，因此固-水界面往往因
